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Dokumentenidentifikation DE202004009975U1 11.11.2004
Titel Mobiler, elektrostatischer Substrathalter
Anmelder PROTEC Gesellschaft für Werkstoff- und Oberflächentechnik mbH, 57234 Wilnsdorf, DE
Vertreter Pürckhauer, R., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 57234 Wilnsdorf
DE-Aktenzeichen 202004009975
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 11.11.2004
Registration date 07.10.2004
Application date from patent application 25.06.2004
IPC-Hauptklasse H01L 21/68
IPC-Nebenklasse B25B 11/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen mobilen, elektrostatischen Substrathalter für Wafer.

Stationäre elektrostatische Halter werden seit Jahren bei der Handhabung von scheibenartigen, leitenden und halbleitenden Werkstoffen, insbesondere zur Handhabung als Haltevorrichtung für sogenannte Wafer in Produktionsanlagen der Halbleiterindustrie verwendet. Das Wirkprinzip ist eingehend in Veröffentlichungen beschrieben wie: Shermann et. al.: Semiconductor International Vol. 20, Jul. 1997, 319-321; Olson et. al.: Rev. Sci. Instrum. 66 (2) Feb. 1995, 1108-1014; Watanabe et. al.: Jpn. J. Appl. Phys., Vol. (32) 1993, 864-871; Hartsough: Solid State Technology, Jan. 1993, 87-90; Mahmood Naim: Semiconductor Manufacturing, Aug. 2003, 94-106. Die Verfahren zur Umsetzung dieser Prinzipien auf sogenannte mobile transportable elektrostatische Haltesysteme sind eingehend in EP 1 217 655 A1, US 200210110449 A1 sowie WO / 02 11184 A1 beschrieben und repräsentieren den Stand der Technik. Die praktische Umsetzung der Verfahren zur mobilen elektrostatischen Handhabung führte zur Entwicklung erster mobiler elektrostatischer Substrathalter (sogenannter Tansfer-ESC®) zum elektrostatischen Halten von folienartigen Werkstücken (z. B. Siliziumwafern), insbesondere für die Halbleitertechnik, vgl. Gebrauchsmuster DE 203 11 625.9.

Die ersten vorgeschlagenen Lösungen erfüllen jedoch einige technische und wirtschaftliche Anforderungen an derartige mobile, elektrostatische Substrathalter nur teilweise. Dieser Sachverhalt liegt daran, daß die Handhabung dünner (< 150 &mgr;m) und ultradünner (< 50&mgr;m) Substrate für einige Prozeßschritte, besonders bei dem Bearbeiten und Transportieren von Wafern in der Halbleiterindustrie, problematisch ist. So steigt die Bruchgefahr dieser Wafer, je dünner die zu handhabenden Substrate sind. Eine einfache und kostengünstige Lösung scheint sich zwar mit dem Einsatz von mobilen elektrostatischen Chucks (den sogenannten Transfer-ESC's) abzuzeichnen, stößt aber spätestens bei der Vermessung elektrischer Parameter der Bauelemente auf das Problem der Rückseitenkontaktierung. Das Anlegen eines fixen Potentials ist aber für exakte Messungen von Bauelementeparameter oft unverzichtbar.

In dem US-Patent 4,551,192 beschreiben Di Milia et al. einen Pinchuck, der sowohl als Vakuum- als auch als elektrostatischer Chuck betrieben werden kann. Die zum Halten des Wafers verwendeten Pins werden dabei durch den Chuck geführt und stützen den Wafer speziell bei dem Prozeß der Elektronenstrahllithographie. Die entsprechenden Löcher im Chuck werden mit verschiedensten Strukturierungs- und Ätztechniken erzeugt. Als elektrisch leitendes Chuckmaterial wird monokristallines dotiertes Silizium verwendet, das mittels Oxidation mit einem Dielektrikum umschlossen wird. Mit Hilfe von elektrisch leitenden Pins kann dann eine Spannung zwischen dem Wafer und dem Chuck angelegt werden, was letztlich zur Erzeugung eines elektrostatischen Chucks ausgenutzt wird.

Die Aufgabe besteht darin, eine kostengünstige und bruchsichere Halterung dünner Wafer mit den Anforderungen zu kombinieren, die bei der Messung von Bauelementeparametern an einen elektrischen Kontakt zur Waferrückseite gestellt werden.

Elektrostatische Chucks nutzen das Prinzip der Coulombschen Kräfte aus. Dabei wird eine leitende Schicht mittels eines Dielektrikums von dem zu klemmenden Substrat elektrisch isoliert. Beim Anlegen einer Hochspannung kommt es zu einer elektrostatischen Anziehung zwischen Substrat und Chuck. Mobile, elektrostatische Chucks werden als mechanischer Träger für dünne Substrate genutzt. Mittels dieser Hilfsträgertechnik wird die Handhabung von dünnen Wafern auf bereits existierenden Produktionsanlagen möglich, da die Größe und Dicke der Kombination aus mobilem elektrostatischem Chuck und dünnem Substrat genau so groß, formstabil und dick ist wie ein normales, nicht speziell abgedünntes Substrat. Am Ende des Herstellungsprozesses für elektronische Bauelemente werden typischerweise alle Chips eines Wafers elektrisch vermessen. Hierzu existieren Spezialmaschinen, so genannte Prober, die tausende von Wafer täglich vermessen können. Dafür werden zumeist feine, leitende Radeln auf die zu kontaktierenden Bauelemente aufgesetzt, und die Messungen werden auf der Wafer-Vorderseite vollzogen. Sind die Dicken der Wafer unterschiedlich, müssen die Kontakte entsprechend nachjustiert werden. So sind bei der Vermessung von 200 mm Wafer die Prober zumeist auf eine Waferdicke von etwa 750 &mgr;m eingestellt. Kommen nun aber dünne oder ultradünne Wafer (< 50&mgr;m) zum Vermessen, kann es sein, daß die Prober diesen Höhenunterschied nicht mehr durch einfache Nachjustage ausgleichen können. Dann sind aufwendige Umrüstungen notwendig. Also besteht auch bei diesem Produktionsschritt ein großes ökonomisches Interesse, die bekannten, standardmäßigen Dicken weiterhin zu verwenden. Diese ist mit den bekannten mobilen, elektrostatischen Chucks nicht möglich, da die verwendeten dielektrischen Schichten eine Rückseitenkontaktierung verhindern.

Die erfindungsgemäße Lösung der vorher genannten Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1. Hierbei wird bei einem mobilen, transportablen, elektrostatischen Substrathalter mittels einer zusätzlich erzeugten, elektrisch leitenden Verbindung ein Kontakt zwischen der Rückseite des Substrathalters und Rückseite des Wafers herstellt. Dabei werden bereits vorhandene oder speziell zu erzeugende durchgehende Öffnungen des Substrathalters ausgenutzt. Zudem wird beachtet, daß vorzugsweise ohmsche Kontakte herstellt werden, die reproduzierbare Leitungswiderstände ermöglichen. Dieses kann über verschiedene Arten der Kontaktierung erreicht werden. Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist die mittels Sputtertechnik erreichbare Abscheidung einer 0,2 &mgr;m bis 1 &mgr;m dicken Wolfram- oder Kupferschicht auf der Rückseite des Substrathalters. Durch die Verwendung der Sputtertechnik können leitende Schichten bei Temperaturbelastungen von unter 150°C auf dem Substrathalter erzielt werden. Das ermöglicht den Einsatz von kostengünstigen, mobilen elektrostatischen Substrathaltern aus Polyimid oder anderen nicht hochtemperaturfesten Materialien. Zudem kann die Sputterschicht so abgeschieden werden, daß sie sich an der Innenseite von eingebrachten Öffnungen des Substrathalters abscheidet und somit eine leitende Kontaktierung zwischen der Rückseite und der Vorderseite des Substrathalters bildet. Auf der Vorderseite des Substrathalters können dann im gleichen Verfahrensschritt oder mittels geeigneter anderer Abscheideverfahren leitende, mit der Sputterschicht elektrisch verbundene Bereiche um die Öffnungen abgeschieden werden. Hierbei können selbst wieder solche Techniken Verwendung finden, die bei der Herstellung elektronischer Bauelemente üblich sind wie Bump-Techniken, Abscheidungen mit anschließendem Lithographie und Ätzschritt, Lift-Off-Techniken und vieles andere mehr. Bei der Durchführung der elektrischen Kontakte durch die Öffnungen des Substrathalters wird die elektrische Isolation dieser Öffnungen gegenüber der im Inneren der Substrathalter angeordneten Elektroden ausgenutzt. Die Dimensionen und Abstände sollten dabei den Raumladungszonen der angelegten elektrischen Felder angepaßt werden.

Im zweiten Ausführungsbeispiel werden 0,75 mm dicke, elektrisch leitende Stifte aus Kupfer als Verbindung zwischen der Rückseite und der Vorderseite des elektrostatischen Substrathalters genutzt. Diese Stifte mit einem Durchmesser von 1 bis 2 mm werden mit einem elastischen Kleber in die etwa 1,5 bis 3 mm großen Öffnungen des Substrathalters eingeklebt. Durch den Einsatz von mehreren, hexagonal angeordneten Netzen (entsprechend angeordnete Öffnungen im Substrathalter) wird eine homogene Stromverteilung bei der Rückseitenkontaktierung der dünnen Wafer angestrebt. Damit die Stifte nur wenige &mgr;m über die Vorderseite hinausragen, erfolgt das Verkleben der Stifte auf einer ebenen Granitplatte. Danach folgt ein leichtes Überätzen oder chemisch-mechanisches Polieren der Vorderseite, wobei der Abtrag der dielektrischen Schicht – hier Glas – selektiv schneller erfolgt als der Abtrag der Stifte. Das kann man bei einer Glasschicht mittels Flußsäure erreichen, so daß ein selektiver Abtrag der Schichten zwischen 0,1 bis 10 &mgr;m technisch umsetzbar ist. Somit ragen die Stifte bis zu 10 &mgr;m über die Oberfläche des Substrathalters heraus. Auf die Rückseite des Substrathalters wird anschließend eine 0,3 &mgr;m dicke Kupferschicht aufgesputtert. Beim Klemmen der dünnen Wafer kontaktieren die auf gleicher Ebene liegenden oder leicht herausragenden Stifte die Waferrückseite. Damit ist ein homogener elektrischer Kontakt hergestellt.

Durch den Einsatz von metallischen Schichten wird zusätzlich auch eine verbesserte Wärmeleitung erreicht. Diese kann gezielt genutzt werden, um kurzzeitige Prozesse, die bei höheren Temperaturen ablaufen, wie Metallisierungsprozessen der Halbleiter oder Solarzellenproduktion (250°C bis 400°C) oder bei Abscheidungen aus der Gasphase (400°C bis 800°C), die Temperatur auf der Oberfläche dünner Substrate, zu steuern. Hierbei werden typischerweise elektrostatische Substrathalter aus keramischen Werkstoffen verwendet und metallische Beschichtungen oder Stifte genutzt, die aus Materialien mit geringen Diffusionskoeffizienten für die verwendeten Substrate (z.B. Silizium) verfügen.

Mit Hilfe der Erfindung ist es nun möglich, dünne Wafer mittels mobiler elektrostatischer Substrathalter in einfacher und kostengünstiger Weise auch bei der Vermessung von Chips mittels Prober zu nutzen. Vorhandene Öffnungen im elektrostatischen Substrathaltern werden zusätzlich genutzt. Mittels erprobter Beschichtungstechniken erzielt man ohmsche Kontakte zur Rückseite der Wafer. Vorteilhaft ist auch, daß lange Zeiten zum Umrüsten kostenintensiver Anlagen auf unterschiedliche Waferdicken vermieden werden und die Effizienz steigt.

Die verbesserte Wärmeleitfähigkeit der elektrostatischen Substrathalter eröffnet auch die Möglichkeit, eine gezielte Kühlung von dünnen Wafern bei ausgewählten Prozeßschritten einzuführen.


Anspruch[de]
  1. Mobiler, elektrostatischer Substrathalter für Wafer, dadurch gekennzeichnet, daß derselbe über eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Rückseite des Substrathalters und der Rückseite des geklemmten Wafer verfügt.
  2. Substrathalter, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über Öffnungen im Substrathalter eine elektrisch leitende Schicht sowohl auf Bereichen der Rückseite des Substrathalters als auch in den Öffnungen und lokal begrenzten Bereichen der Vorderseite des Substrathalters gebildet ist, indem die elektrisch leitende Schicht als metallische Schicht mittels galvanischer, Bedampfungs- oder Sputter-Verfahren in einem oder mehreren Abscheidungsschritten mittels einer Kombination dieser Verfahren hergestellt ist.
  3. Substrathalter nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Öffnungen leitende Kontakte eingebracht sind, die bis zu 10 um über die Oberfläche des Substrathalters herausragen.
  4. Substrathalter, nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte in die Öffnungen eingeklebte elektrisch leitende Stifte sind.
  5. Substrathalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Substrathalters und des zu messenden Wafers eine Gesamtdicke entsprechend der üblicherweise bei der elektrischen Vermessung von elektronischen Bauelementen auf standardisierten Wafern ergibt.
  6. Substrathalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Messung der elektrischen Bauelementeparameter weiterhin vorhandene Öffnungen zum Halten des dünnen Wafers mittels Unterdruck genutzt werden und die Halterung mittels elektrostatischer Kräfte für die Zeit der Messung deaktiviert wird.
Es folgt kein Blatt Zeichnungen






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